近空间飞行器复杂非线性流动与失稳行为特征及气动控制策略

近空间飞行器高升阻比布局、大空域宽速度域的飞行环境及高机动的突防要求，决定其存在导致飞行运动稳定性恶化的时变非线性条件。项目研究一方面基于全局亚迭代的思路紧密耦合流体动力学和飞行动力学（CFD/RBD），数值研究临近空间高超声速大升阻比布局飞行器在薄激波层、强粘性干扰的典型非线性流动环境中的动稳定特性，预示潜在的非线性飞行现象，分析非线性流动、时滞气动力与飞行运动稳定性三者间的本质联系；另一方面从非线性运动动力学机理出发，阐述飞行失稳与时滞动力学系统分岔间的关联，抓住飞行异常的核心环节。同时，数值模拟与理论分析在临近空间特殊条件下的飞行器多自由度耦合运动特性，探索非定常流动主控下的飞行器复杂运动机理。在此基础上，基于失稳行为特征和动力学模型的分析，探索飞行稳定性控制策略。

项目研究针对临近空间高超音速飞行器的动态稳定特性这一焦点问题，主要开展了五方面的研究工作：1）发展了基于全局亚迭代的流体动力学和飞行动力学（CFD/RBD）的紧耦合求解方法；2）理论推演与分析了临近空间高超音速飞行器横航向耦合运动模式与耦合判据；3）基于耦合方法数值研究了高超声速面对称飞行器在典型非线性流动环境中的动稳定特性，预测与分析了面对称飞行器典型的静动态气动力特性，尝试性探索类HTV-2的事故模式；4）基于CFD/RBD方法，数值虚拟飞行演示了高超声速面对称飞行器典型工况失稳飞行的非定常流动与姿态演化；5）探索改善气动布局稳定性的控制策略并开展可控性分析。. 项目研究基于理论简化分析和数值模拟分析，对高超音速飞行器的动态稳定特性取得如下认识：1）高超声速飞行器的非线性流动结构、气动力时滞与动态稳定特性是本质联系；2）临近空间高速飞行存在荷兰滚发散和滚转/螺旋耦合等特殊的模态运动，由此严重影响高超音速面对称飞行器的飞行品质和安全；3）数值虚拟飞行表明，高超声速面对称飞行器失稳运动是多自由度耦合的振荡发散；4）初步分析表明合适策略能够有效控制失稳运动。